风电机组叶片防雷系统工程应用研究

方致阳 李成良 张敏昊 段雁超

目前，国内叶片所使用的防雷系统，为在引进国外叶片结构设计时，附带的防雷系统设计。针对国内的复杂环境，该防雷系统设计并不能对遭受雷击的风电叶片进行完全有效防护。

为了满足国内复杂环境对防雷系统的需求，需要深入了解叶片雷击事故发生机理，对叶片防雷系统进行防雷测试研究，并采用仿真等分析手段辅以验证，探索出符合国内环境并适于目前工程应用的叶片防雷系统。

本文通过开展叶片防雷系统防雷测试研究，总结出叶片防雷失效的影响因素，为叶片防雷系统优化找到正确的方向。

风电机组叶片防雷失效分析

一、雷电放电机理

雷电属于电弧放电的一种。电弧放电是指在一定条件下电荷通过两电极间气体的一种导电过程，是一种不同于金属放电的气体放电。金属中电流与电压之间的关系遵循欧姆定律，而气体放电则不然，其电流与电压之间呈现一种十分复杂的关系。

据相关研究，目前世界上近85%的雷电为负极性，并且绝大部分雷电为下行雷，先导发展之初在雷云底部集聚大量的负电荷，并感应地面上的正电荷。这两种电荷在大气中建立起巨大的空间电场，当雷云底部大气电场达到一定的强度，并超过空气的绝缘强度时，空气发生电离形成弥散电荷，并逐渐形成流注。当流注发展到一定程度并形成一个向下运动的电离通道时，就形成了下行先导，随着下行先导持续发展且越来越接近地面，地面所感应出的正电荷也将不断增加。但是由于地面较为平缓，很难形成上行先导，最终负极性的下行先导与正极性的地面电荷接通后形成一次放电。

二、风电机组叶片接闪机理

风电机组叶片的接闪机理与雷电对地放电的机理大致相同，但是由于风电机组属于高耸突出的结构，并且风电机组叶片存在接闪尖端，雷云形成的下行先导接近风电机组后，会使叶片接闪尖端的电场急剧增大，并使其形成向上发展的正极性上行先导，进而使得上行先导与下行先导汇合的位置会与风电机组叶片有一定的距離，并且产生上行先导的位置即为雷击点（如图1）。

三、风电机组叶片防雷失效机理

根据雷电放电与风电机组叶片接闪机理、结合由美国Cooray教授领导的雷电研究小组的一些研究发现，当下行先导发展到一定程度后会诱使风电机组叶片叶尖出现上行先导。但当下行先导与风电机组叶片之间的场强达到一定程度，巨大的场强超过叶片本体的绝缘强度之和时，该区域会丧失绝缘性。此时，风电机组叶片防雷系统引下装置附近会出现弥散电荷、流注乃至上行先导。当多次雷击发生后，防雷系统绝缘乃至蒙皮绝缘由于上行先导的出现将会出现失效的情况，而这种情况的发生会增加防雷系统引下装置金属导体出现先导的概率。由于雷电的形成有很大的随机性，当防雷系统引下装置金属导体出现的上行先导比风电叶片接闪尖端出现的上行先导更具有竞争性时，雷云出现的下行先导会有机会与防雷系统引下装置金属导体出现的上行先导汇合形成一次放电，这时就会导致风电机组叶片防雷失效，详见图2。图3为高电压初始先导测试中金属尖端先导竞争失败后出现的测试失败现象。

风电机组叶片防雷系统的测试现象解析

一、风电机组叶片防雷系统测试规范分析

根据风电机组叶片防雷失效分析，造成叶片防雷系统失效的主要原因是在大气电场的作用下，引下导体诱发的上行先导比接闪装置诱发的上行先导先一步与雷云发展的下行先导发生连通，而标准《GB/T 33629 – 2017 / IEC 61400 - 24：2010 风力发电机组 雷电防护》（测试时2019版标准尚未发布，本文遵循IEC 61400-24：2010 Wind turbine generator systems Part 24 ：Lightning protection）中附录 D 对叶片的防雷测试作了详细的规定，其中与风电机组叶片防雷失效关系最大，同时也是失败概率最高的测试为附录D的“D.2.1初步引线连接测试”，即行业内的高电压初始先导测试。

该规范要求进行54次测试：与水平面呈90°的测试共有6次，正负极性各3次；与水平面呈60°的测试共有24次，A/ B/C/D（A：迎风面接地；B：后缘接地；C：背风面接地；D：前缘接地）四个朝向，每种朝向正负极性各3次；与水平面呈30°的测试共有24次，A/B/C/D四个朝向，每种朝向正负极性各3次。规范中规定的测试角度，是为了对应实际风电场的运行环境。其中，低角度的防雷测试对应了高原、高海拔地区，风电机组近乎竖立在雷云中，该类测试也是高电压初始先导测试中最容易出现失败的。规范中规定的测试数量是专家通过大量实际风电机组运行数据得出的。因此，通过规范中的54次高电压初始先导测试，即可说明该防雷系统设计在防雷接闪的能力上，基本满足叶片全生命周期的使用要求。

关于测试样件的长度，规范虽然没有作出详细要求，但是一般不会小于5m—— 该长度主要来源于风电场实际运行情况。例如，根据相关部门统计，美国某风电场508台风电机组在5年期间共有304支叶片遭受雷击。观察雷击位置的分布可以发现，约95%的雷击事故发生在距离叶尖5m以内的位置。

二、风电机组叶片防雷系统测试现象分析

为了对防雷系统设计进行初步验证，本文随机截取某型号叶片叶尖（国内常用叶片防雷系统：铝叶尖加引下线方

案）进行高电压初始先导测试。测试布置以及相关测试参数，参考标准《GB/T 33629 – 2017 / IEC 61400 - 24：2010 风力发电机组 雷电防护》中附录D的要求，在经过54次测试试验后，总共发生4次击穿现象—— 前两次测试为上行先导内部爬弧后击穿蒙皮；后两次为上行先导直接击穿蒙皮，测试的成功概率为92.6%。此外，由防雷测试统计数据可知，测试样件与接地平板呈90°，测试成功的概率为100%；与接地平板呈60°，测试成功的概率为95.8%；与接地平板呈30°，测试成功的概率为87.5%。由此可知，测试样件与接地平板之间的角度越小，测试成功的概率越低。